CN117741220A - 高精度数字交流电桥及其量子电阻传递方法 - Google Patents

Abstract

高精度数字交流电桥及其量子电阻传递方法，包括：可调信号源、电源感应分压器、瓦格纳平衡支路、第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络、多级感应分压器、开尔文平衡支路、标准电阻以及测量电阻；其中，开尔文平衡支路包括电压注入信号源以及数字式测量采集模块；调整多级感应分压器的各级绕组的匝数，使得标准电阻两端电压与待测电阻两端电压的比例为10^‑5数量级；调整电压注入信号源向标准电阻和待测电阻注入的第一电压和第二电压，使得第一电压和第二电压相等；测量平衡支路中的微差电流；以微差电流作为补偿量并入量子电阻传递中。本发明解决引线误差、接触电阻误差以及外部干扰影响，提高量值传递精度。

Description

高精度数字交流电桥及其量子电阻传递方法

技术领域

本发明属于计量设备技术领域，具体地，涉及一种高精度数字交流电桥及其量子电阻传递方法。

背景技术

计量是科学技术发展的基石，随着测控技术的发展，高精度电阻在各领域科研与生产制造中都具有重要的意义。电阻具有频率特性，其在高频电路中受到寄生电感、寄生电容和临近效应等影响，导致高精度电阻所复现的阻值与频率存在偏差。现有技术中，尚未将交流电阻计量标准替换为量子化计量标准，由于量子化霍尔电阻所处的复杂强磁环境，其交流溯源非常难。

现有技术运用低温电流比较仪、超导磁通干涉仪等前沿量传技术来进行量子化霍尔电阻的高精度量值传递。但是这类前沿技术在传递过程中需要保持相位的稳定性和一致性，导致其无法运用于高频电路中。

此外，量子化霍尔电阻的阻值只与物理常数有关，具有非常高的精确度和稳定性，但该阻值是具有量子化特征的一系列非整数数值。而在电阻量值传递中大部分使用的是整十倍阻值的标准电阻，这导致两阻抗在比较时并不是一个整数，比较支路中将出现微差电势，导致传统的交流电桥由于存在微差电势而产生的误差。

发明内容

为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种高精度数字交流电桥及其量子电阻传递方法，交流电桥连接使用四端对定义连接，以解决引线误差、接触电阻误差以及外部干扰影响，提高量值传递精度。

本发明提出如下技术方案。

本发明提出了一种高精度数字交流电桥，包括：

可调信号源、电源感应分压器、瓦格纳平衡支路、第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络、多级感应分压器、开尔文平衡支路、标准电阻以及测量电阻；其中，开尔文平衡支路包括电压注入信号源以及数字式测量采集模块；

可调信号源连接电源感应分压器的初级，电源感应分压器的次级设置4个抽头，包括次级首端抽头、次级第1分接抽头、次级第2分接抽头以及次级末端抽头；瓦格纳平衡支路的一端连接电源感应分压器的次级第1分接抽头和标准电阻的另一端，瓦格纳平衡支路的另一端连接电源感应分压器的次级第2分接抽头和待测电阻的另一端；第1电流注入组合网络的输入端并联连接在电源感应分压器的次级首端抽头与次级第1分接抽头之间，第1电流注入组合网络的输出端连接标准电阻的另一端；第2电流注入组合网络的输入端并联连接在电源感应分压器的次级第2分接抽头与次级末端抽头之间，第2电流注入组合网络的输出端连接待测电阻的另一端；

多级感应分压器包括5个级联连接的绕组，其中，第1级绕组的输入端同时与瓦格纳平衡支路的一端、标准电阻的另一端连接，第1级绕组的输出端同时与瓦格纳平衡支路的另一端、待测电阻的另一端连接，第5级绕组输出端与数字式测量采集模块的输入端相连；

电压注入信号源向标准电阻的一端注入第一电压，电压注入信号源向待测电阻的一端注入第二电压，标准电阻的一端与待测电阻的一端连接；数字式测量采集模块采集第一电压与第二电压之间的差值。

还包括：功率放大器；可调信号源通过功率放大器连接电源感应分压器的初级。

多级感应分压器的第1级绕组的输入端与标准电阻的另一端连接，形成高电位支路；多级感应分压器的第1级绕组的输出端与待测电阻的另一端连接，形成低电位支路；多级感应分压器的第5级绕组输出端与数字式测量采集模块的输入端连接，形成平衡支路。

可调信号源经第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络分别为标准电阻、待测电阻提供电流，使得高电位支路、低电位端支路中无电流；

可调信号源与瓦格纳平衡支路并联实现数字交流电桥的电源平衡，瓦格纳平衡支路调节平衡支路上的泄漏电流。

瓦格纳平衡支路、第1电流注入组合网络以及第2电流注入组合网络的电路拓扑一样，均包括：感应耦合比率臂和两端对阻抗。

还包括：第1指零仪、第2指零仪以及第3指零仪；第1指零仪接于高电位支路、第2指零仪接于平衡支路、第3指零仪接于低电位支路；每个指零仪均包括感应耦合比率臂；

当指零仪指向零时，表示对应支路的电流为零，说明瓦格纳平衡支路、第1电流注入组合网络以及第2电流注入组合网络对对应支路上的电流调整完毕。

数字式测量采集模块包括：电压电流模数转换芯片以及跟随器；

跟随器输出端通过平衡支路连接多级感应分压器的第5级绕组的输出端，电压电流模数转换芯片接于平衡支路上，并且电压电流模数转换芯片连接在多级感应分压器的第5级绕组的输出端与跟随器之间。

数字式测量采集模块还包括：第1单刀双掷模拟开关、第2单刀双掷模拟开关以及第3单刀双掷模拟开关；

第1单刀双掷模拟开关的公共端口与标准电阻的一端相连，常闭端口连接匹配阻抗；第1单刀双掷模拟开关的常开端口连接第2单刀双掷模拟开关的常闭端口；第2单刀双掷模拟开关的公共端口连接跟随器输入端，第2单刀双掷模拟开关的常开端口连接第3单刀双掷模拟开关的常开端口；第3单刀双掷模拟开关的公共端口与待测电阻的一端相连，第3单刀双掷模拟开关的常闭端口连接匹配阻抗；

第1单刀双掷模拟开关与第3单刀双掷模拟开关均处于常闭状态。

切换第1单刀双掷模拟开关至常开端口，保持第2单刀双掷模拟开关处于常闭状态，电压电流模数转换芯片测量得到第一电压；切换第3单刀双掷模拟开关至常开端口，切换第2单刀双掷模拟开关至常开端口，测量得到第二电压；当第一电压和第二电压不相等时，调节电压注入信号源输出的电压与频率，直至第一电压和第二电压相等。

还包括：十组扼流圈；扼流圈套接于电桥中各支路上，

各支路包括：第1电流注入组合网络与电源感应分压器的次级首端抽头的连接支路、第2电流注入组合网络与电源感应分压器的次级末端抽头的连接支路、多级感应分压器第一绕组输入端与电源感应分压器的次级第1分接抽头的连接支路、多级感应分压器第一绕组输出端与电源感应分压器的次级第2分接抽头的连接支路、高电位支路、低电位支路、标准电阻的另一端与第1电流注入组合网络输出端的连接支路、待测电阻的另一端与第1电流注入组合网络输出端的连接支路、开尔文平衡支路的第一输出端与标准电阻的一端的连接支路、开尔文平衡支路的第二输出端与待测电阻的一端的连接支路。

可调信号源与第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络并联，可调信号源经第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络分别为标准电阻、待测电阻提供电流，实现高电位支路、低电位端支路中无电流；同时将可调信号源与瓦格纳平衡支路并联实现数字交流电桥的电源平衡，用于对平衡支路上的泄漏电流进行调节；

调整多级感应分压器的各级绕组的匝数，使得标准电阻两端电压与待测电阻两端电压的比例为10^-5数量级；

调整电压注入信号源向标准电阻和待测电阻注入的第一电压和第二电压，使得第一电压和第二电压相等；

测量平衡支路中的微差电流；以微差电流作为补偿量并入量子电阻传递中。

本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明提出的高精度数字交流电桥，能够实现量子霍尔电阻在高频交流信号下的高精度量值传递，适用于量子霍尔电阻向不同阻值比的标准电阻传递量值，测量范围为100Ω～10kΩ，不确定度等级达到10^-7。

本发明中加入开尔文平衡支路、瓦格纳平衡支路以及电流注入组合网络，以克服两阻抗间存在引线压降的影响以及电桥电容泄漏电流的影响；采用多级感应分压器作为主比较电路，将电阻的分压比通过高精度分压比例转化为多级感应分压器的匝数比，快速平衡以简化量值传递计算；创新引入高分辨率、高灵敏度、高精度的电压电流模数转换芯片，测量比较电路中存在的微差电流，作为电压补偿引入量值传递计算中，大大提高量值传递精度。

附图说明

图1是本发明提出的高精度数字交流电桥结构图；

图1中的附图标记说明如下：

1-可调信号源，2-电源感应分压器，3-功率放大器，4-瓦格纳平衡支路，5a-第1电流注入组合网络，5b-第2电流注入组合网络，6-多级感应分压器，7a-第1指零仪，7b-第2指零仪，7c-第3指零仪，9-电压注入信号源，10-扼流圈，11-第1单刀双掷模拟开关，12-第2单刀双掷模拟开关，13-第3单刀双掷模拟开关，14-电压电流模数转换芯片，15-跟随器；

图2是本发明实施例中多级感应分压器的电路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本申请所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明提出了一种高精度数字交流电桥，如图1所示，包括：可调信号源1、电源感应分压器2、功率放大器3、瓦格纳平衡支路4、第1电流注入组合网络5a、第2电流注入组合网络5b、多级感应分压器6、第1指零仪7a、第2指零仪7b、第3指零仪7c、开尔文平衡支路、标准电阻R0、待测电阻R1以及十组扼流圈。其中，开尔文平衡支路包括：电压注入信号源9以及数字式测量采集模块。

其中，标准电阻是量子霍尔电阻。

可调信号源连接电源感应分压器的初级，瓦格纳平衡支路并联在电源感应分压器的次级。

具体地，可调信号源通过功率放大器连接电源感应分压器的初级，电源感应分压器的次级设置4个抽头，包括次级首端抽头、次级第1分接抽头、次级第2分接抽头以及次级末端抽头；瓦格纳平衡支路并联连接在电源感应分压器的次级第1分接抽头与次级第2分接抽头之间；第1电流注入组合网络的输入端并联连接在电源感应分压器的次级首端抽头与次级第1分接抽头之间，第2电流注入组合网络的输入端并联连接在电源感应分压器的次级第2分接抽头与次级末端抽头之间，实现瓦格纳平衡支路、第1电流注入组合网络以及第2电流注入组合网络均与可调信号源并联连接。

具体地，瓦格纳平衡支路的一端连接电源感应分压器的次级第1分接抽头和标准电阻的另一端，瓦格纳平衡支路的另一端连接电源感应分压器的次级第2分接抽头和待测电阻的另一端；第1电流注入组合网络的输出端连接标准电阻的另一端，第2电流注入组合网络的输出端连接待测电阻的另一端。

实施例中，可调信号源是可调电流源；电源感应分压器是自耦式感应分压器，其绕组匝数共100匝，电源感应分压器的次级设置4个抽头；瓦格纳平衡支路、第1电流注入组合网络以及第2电流注入组合网络的电路拓扑一样，均包括：感应耦合比率臂和两端对阻抗。

多级感应分压器包括5个级联连接的绕组，其中，第1级绕组的输入端同时与瓦格纳平衡支路的一端、标准电阻的另一端连接，实现电压传递；第1级绕组的输出端同时与瓦格纳平衡支路的另一端、待测电阻的另一端连接，第5级绕组输出端与数字式测量采集模块的输入端相连。

多级感应分压器的第1级绕组的输入端与标准电阻的另一端连接，形成高电位支路；多级感应分压器的第1级绕组的输出端与待测电阻的另一端连接，形成低电位支路；多级感应分压器的第5级绕组输出端与数字式测量采集模块的输入端连接，形成平衡支路。

本发明通过将可调信号源与第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络并联，可调信号源经第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络分别为标准电阻、待测电阻提供电流，实现高电位支路、低电位端支路中无电流，消除因支路中存在电流而造成的压降，提高量子电阻传递精度；同时将可调信号源与瓦格纳平衡支路并联实现数字交流电桥的电源平衡，用于对平衡支路上的泄漏电流进行调节，解决泄漏电流造成压降所导致的量子电阻传递精度问题。

具体地，第1指零仪接于高电位支路、第2指零仪接于平衡支路、第3指零仪接于低电位支路；当指零仪指向零时，表示对应支路的电流为零，说明瓦格纳平衡支路、第1电流注入组合网络以及第2电流注入组合网络对对应支路上的电流调整完毕。每个指零仪均包括感应耦合比率臂。

具体地，如图2所示，多级感应分压器的每级绕组匝数均为11匝，对于第2至4级绕组，上一级绕组的输出端连接下一级绕组的输入端，形成级联连接。实施例中，当输入电压为U时，通过改变各级间连接抽头位置使得输出电压为U_out＝0.4297U输出电压与输入电压的比例为万分位级比例，是一种高精度的，并且是有理小数的比例。

本发明采用多级感应分压器作为主比较电路，多级感应分压器中的各级绕组之间的互感实现层层分压，通过调整多级感应分压器的各级绕组的匝数，将标准电阻与待测电阻之间的电压调节至初步平衡状态，实现以10^-5数量级的绕组匝数比来表示标准电阻两端电压与待测电阻两端电压的比例，完成瓦格纳平衡。

具体地，多级感应分压器选用磁导率高、稳定性高、电阻率高的微晶材料作为多级感应分压器的磁芯。选用多股漆包铜线围绕中心芯平铺旋转制作而成的十二股绞绕线作为线材，缠绕于ABS材料制作的绝缘固定装置。

多级感应分压器的第5级绕组的输出端连接数字式测量采集模块的输入端，数字式测量采集模块的第1、第2输出端分别连接标准电阻R0的一端与待测电阻R1的一端；电压注入信号源向标准电阻的一端注入第一电压V₀ ^L，电压注入信号源向待测电阻的一端注入第二电压V₁ ^H，标准电阻的一端与待测电阻的一端连接；数字式测量采集模块采集第一电压与第二电压之间的差值。

数字式测量采集模块包括上位机PC、电压电流模数转换芯片14、跟随器15、第1单刀双掷模拟开关11、第2单刀双掷模拟开关12以及第3单刀双掷模拟开关13。

具体地，跟随器输出端通过平衡支路连接多级感应分压器的第5级绕组的输出端，电压电流模数转换芯片接于平衡支路上，以测量平衡支路中存在的微差电流。

具体地，电压电流模数转换芯片连接在多级感应分压器的第5级绕组的输出端与跟随器之间，即跟随器位于电压电流模数转换芯片的前面，能够使输入信号阻抗匹配并起到缓冲、隔离、放大增益的作用，提高电压电流模数转换芯片测量精度。

具体地，第1单刀双掷模拟开关的公共端口与标准电阻的一端相连，常闭端口连接匹配阻抗，避免第1单刀双掷模拟开关在切换信号时发生桥路电位波动；第1单刀双掷模拟开关的常开端口连接第2单刀双掷模拟开关的常闭端口；第2单刀双掷模拟开关的公共端口连接跟随器输入端，第2单刀双掷模拟开关的常开端口连接第3单刀双掷模拟开关的常开端口；第3单刀双掷模拟开关的公共端口与待测电阻的一端相连，第3单刀双掷模拟开关的常闭端口连接匹配阻抗，避免第3单刀双掷模拟开关在切换信号时发生桥路电位波动。

具体地，第1单刀双掷模拟开关与第3单刀双掷模拟开关均处于常闭状态，避免模拟开关在切换信号时发生桥路电位波动。

具体地，切换第1单刀双掷模拟开关至常开端口，保持第2单刀双掷模拟开关处于常闭状态，电压电流模数转换芯片测量得到第一电压V₀ ^L；切换第3单刀双掷模拟开关至常开端口，切换第2单刀双掷模拟开关至常开端口，测量得到第二电压V₁ ^H；当第一电压和第二电压不相等时，调节电压注入信号源输出的电压与频率，直至第一电压和第二电压相等，完成开尔文平衡。

完成瓦格纳平衡后，标准电阻与待测电阻之间的电压比为10^-5数量级，进行开尔文平衡使得第一电压和第二电压相等，此时平衡支路中存在微差电流，利用电压电流模数转换芯片测量微差电流，将微差电流作为补偿量并入量子电阻传递中，以解决传统感应分压器式交流电桥精度低的问题。

本发明提出的高精度数字交流电桥中，开尔文平衡支路连接于标准电阻与待测电阻之间的连接线的两端，由于电桥环路中存在电流，导致连接线的两端存在电压差。通过3把单刀双掷模拟开关之间的切换配合，数字式测量采集模块采集标准电阻与待测电阻之间连接线的两端电压差，利用电压注入信号源调整向标准电阻与待测电阻注入的电压，经开尔文平衡调节后，使得连接线的两端电压差为0，从而通过开尔文平衡提高测量精度。此时，数字式测量采集模块测量得到微差电流；微差电流作为补偿电流并入量子电阻传递计算中，进而得到量子霍尔电阻与待测电阻的高精度分压比，将量子霍尔电阻的高不确定度等级完全传递至待测电阻，以解决传统感应分压器式交流电桥精度低的问题。

具体地，数字式测量采集模块还包括：STM32下位机；STM32下位机根据上位机发出的指令进行模拟开关电路的切换以及电压电流模数转换芯片的采集测量。

具体地，电压模数转换芯片的测量精度为24位，电压模数转换芯片的测量精度为22位，将电压信号与电流信号转换为数字信号后采样传输至上位机，采样频率在200kS/s以上。

本发明将数字式采集测量模块加入量子霍尔电阻与标准电阻的比较过程中，利用高精度、高灵敏度的电压电流模数转换芯片快速测量出初步调节平衡后比较电路中存在的微差电势。解决了传统量值传递方法仅能比较两阻值比为整数的交流电阻的问题，并将得到的微差电势值作为补偿加入量值传递计算中，进一步提高了量值传递精度，不确定度等级可以达到10^-7。

具体地，电压注入信号源包括：可调电压源以及注入变压器。

扼流圈套接于电桥中各支路上，以保证无定向结构的各个同轴线芯皮电流大小相等、方向相反。其中，各支路包括：第1电流注入组合网络与电源感应分压器的次级首端抽头的连接支路、第2电流注入组合网络与电源感应分压器的次级末端抽头的连接支路、多级感应分压器第一绕组输入端与电源感应分压器的次级第1分接抽头的连接支路、多级感应分压器第一绕组输出端与电源感应分压器的次级第2分接抽头的连接支路、高电位支路、低电位支路、标准电阻的另一端与第1电流注入组合网络输出端的连接支路、待测电阻的另一端与第1电流注入组合网络输出端的连接支路、开尔文平衡支路的第一输出端与标准电阻的一端的连接支路、开尔文平衡支路的第二输出端与待测电阻的一端的连接支路。

本发明提出的高精度数字交流电桥采用四端对定义结构，并采用多种补偿网络与屏蔽结构相结合的方式，降低了电缆电阻、接触电阻影响的同时，充分避免了量子霍尔电阻所处的复杂强磁环境的影响，提高了交流量子霍尔电阻量值传递的精度。

本发明还提出了高精度数字交流电桥的量子电阻传递方法，包括：

可调信号源与第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络并联，可调信号源经第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络分别为标准电阻、待测电阻提供电流，实现高电位支路、低电位端支路中无电流；同时将可调信号源与瓦格纳平衡支路并联实现数字交流电桥的电源平衡，用于对平衡支路上的泄漏电流进行调节；

调整多级感应分压器的各级绕组的匝数，使得标准电阻两端电压与待测电阻两端电压的比例为10^-5数量级；

调整电压注入信号源向标准电阻和待测电阻注入的第一电压和第二电压，使得第一电压和第二电压相等；

测量平衡支路中的微差电流；以微差电流作为补偿量并入量子电阻传递中。

本发明提出一种采用四端对定义结构，基于感应分压原理的高精度量子电阻传递方法。采用四端对定义连接能够消除电缆电阻、接触电阻的影响，此外，在四端对结构中能够加入多种补偿网络与屏蔽结构，以确保电桥能够实现高频率范围内的量子化霍尔电阻的高精度量传。

感应分压器是一种自耦变压器，其通常由一个主线圈与多个副线圈组成，通过线圈间的互感现象进行层层分压，以实现电压源的高精度分压比例。本发明将两阻抗的分压比通过高精度分压比例转化为感应分压器的匝数比，进而进行量值传递计算。

随着半导体器件的长足发展，电压电流模数转换芯片的测量精度及其最小分辨率已达到了相当高的水平，并具有灵敏度高、采集频率高等优势。考虑到电压电流模数转换芯片的优势，本发明将电压电流模数转换芯片作为补偿器件加入比较支路中，将芯片所测量得到的微差电流代入最终的量值传递计算中，解决了传统的交流电桥由于存在微差电势而产生的误差影响，实现交流量子化电阻的高精度量值传递。

本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种高精度数字交流电桥，其特征在于，包括：

可调信号源、电源感应分压器、瓦格纳平衡支路、第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络、多级感应分压器、开尔文平衡支路、标准电阻以及测量电阻；其中，开尔文平衡支路包括电压注入信号源以及数字式测量采集模块；

可调信号源连接电源感应分压器的初级，电源感应分压器的次级设置4个抽头，包括次级首端抽头、次级第1分接抽头、次级第2分接抽头以及次级末端抽头；瓦格纳平衡支路的一端连接电源感应分压器的次级第1分接抽头和标准电阻的另一端，瓦格纳平衡支路的另一端连接电源感应分压器的次级第2分接抽头和待测电阻的另一端；第1电流注入组合网络的输入端并联连接在电源感应分压器的次级首端抽头与次级第1分接抽头之间，第1电流注入组合网络的输出端连接标准电阻的另一端；第2电流注入组合网络的输入端并联连接在电源感应分压器的次级第2分接抽头与次级末端抽头之间，第2电流注入组合网络的输出端连接待测电阻的另一端；

多级感应分压器包括5个级联连接的绕组，其中，第1级绕组的输入端同时与瓦格纳平衡支路的一端、标准电阻的另一端连接，第1级绕组的输出端同时与瓦格纳平衡支路的另一端、待测电阻的另一端连接，第5级绕组输出端与数字式测量采集模块的输入端相连；

电压注入信号源向标准电阻的一端注入第一电压，电压注入信号源向待测电阻的一端注入第二电压，标准电阻的一端与待测电阻的一端连接；数字式测量采集模块采集第一电压与第二电压之间的差值。

2.根据权利要求1所述的高精度数字交流电桥，其特征在于，

还包括：功率放大器；可调信号源通过功率放大器连接电源感应分压器的初级。

3.根据权利要求1所述的高精度数字交流电桥，其特征在于，

多级感应分压器的第1级绕组的输入端与标准电阻的另一端连接，形成高电位支路；多级感应分压器的第1级绕组的输出端与待测电阻的另一端连接，形成低电位支路；多级感应分压器的第5级绕组输出端与数字式测量采集模块的输入端连接，形成平衡支路。

4.根据权利要求3所述的高精度数字交流电桥，其特征在于，

可调信号源经第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络分别为标准电阻、待测电阻提供电流，使得高电位支路、低电位端支路中无电流；

可调信号源与瓦格纳平衡支路并联实现数字交流电桥的电源平衡，瓦格纳平衡支路调节平衡支路上的泄漏电流。

5.根据权利要求4所述的高精度数字交流电桥，其特征在于，

瓦格纳平衡支路、第1电流注入组合网络以及第2电流注入组合网络的电路拓扑一样，均包括：感应耦合比率臂和两端对阻抗。

6.根据权利要求4所述的高精度数字交流电桥，其特征在于，

还包括：第1指零仪、第2指零仪以及第3指零仪；第1指零仪接于高电位支路、第2指零仪接于平衡支路、第3指零仪接于低电位支路；每个指零仪均包括感应耦合比率臂；

当指零仪指向零时，表示对应支路的电流为零，说明瓦格纳平衡支路、第1电流注入组合网络以及第2电流注入组合网络对对应支路上的电流调整完毕。

7.根据权利要求3所述的高精度数字交流电桥，其特征在于，

数字式测量采集模块包括：电压电流模数转换芯片以及跟随器；

跟随器输出端通过平衡支路连接多级感应分压器的第5级绕组的输出端，电压电流模数转换芯片接于平衡支路上，并且电压电流模数转换芯片连接在多级感应分压器的第5级绕组的输出端与跟随器之间。

8.根据权利要求7所述的高精度数字交流电桥，其特征在于，

数字式测量采集模块还包括：第1单刀双掷模拟开关、第2单刀双掷模拟开关以及第3单刀双掷模拟开关；

第1单刀双掷模拟开关的公共端口与标准电阻的一端相连，常闭端口连接匹配阻抗；第1单刀双掷模拟开关的常开端口连接第2单刀双掷模拟开关的常闭端口；第2单刀双掷模拟开关的公共端口连接跟随器输入端，第2单刀双掷模拟开关的常开端口连接第3单刀双掷模拟开关的常开端口；第3单刀双掷模拟开关的公共端口与待测电阻的一端相连，第3单刀双掷模拟开关的常闭端口连接匹配阻抗；

第1单刀双掷模拟开关与第3单刀双掷模拟开关均处于常闭状态。

9.根据权利要求8所述的高精度数字交流电桥，其特征在于，

切换第1单刀双掷模拟开关至常开端口，保持第2单刀双掷模拟开关处于常闭状态，电压电流模数转换芯片测量得到第一电压；切换第3单刀双掷模拟开关至常开端口，切换第2单刀双掷模拟开关至常开端口，测量得到第二电压；当第一电压和第二电压不相等时，调节电压注入信号源输出的电压与频率，直至第一电压和第二电压相等。

10.根据权利要求3所述的高精度数字交流电桥，其特征在于，

还包括：十组扼流圈；扼流圈套接于电桥中各支路上，

各支路包括：第1电流注入组合网络与电源感应分压器的次级首端抽头的连接支路、第2电流注入组合网络与电源感应分压器的次级末端抽头的连接支路、多级感应分压器第一绕组输入端与电源感应分压器的次级第1分接抽头的连接支路、多级感应分压器第一绕组输出端与电源感应分压器的次级第2分接抽头的连接支路、高电位支路、低电位支路、标准电阻的另一端与第1电流注入组合网络输出端的连接支路、待测电阻的另一端与第1电流注入组合网络输出端的连接支路、开尔文平衡支路的第一输出端与标准电阻的一端的连接支路、开尔文平衡支路的第二输出端与待测电阻的一端的连接支路。

11.高精度数字交流电桥的量子电阻传递方法，其特征在于，包括：

可调信号源与第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络并联，可调信号源经第1电流注入组合网络、第2电流注入组合网络分别为标准电阻、待测电阻提供电流，实现高电位支路、低电位端支路中无电流；同时将可调信号源与瓦格纳平衡支路并联实现数字交流电桥的电源平衡，用于对平衡支路上的泄漏电流进行调节；

调整多级感应分压器的各级绕组的匝数，使得标准电阻两端电压与待测电阻两端电压的比例为10^-5数量级；

调整电压注入信号源向标准电阻和待测电阻注入的第一电压和第二电压，使得第一电压和第二电压相等；

测量平衡支路中的微差电流；以微差电流作为补偿量并入量子电阻传递中。